CC BY
10
© A.A. Шубин, 2012
УДК 622.257.1 A.A. Шубин
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТАМПОНАЖА ТРЕЩИН МАССИВА ПРИ ЗАКЛАДКЕ ПОДЗЕМНЫХ ПУСТОТ
Рассмотрен процесс моделирования ликвидации подземных пустот при формировании закладочного массива путем нагнетания гидросмеси на основе дилатантных материалов.
Ключевые слова: гидросмесь, горный массив, скважина, подкровельная щель.
Процесс инъекции раствора в пустоты или в горные породы является весьма сложным, зависящим от значения и взаимовлияния целого ряда исходных характеристик среды (породы), технологических и режимных параметров. Поэтому полное соблюдение условий подобия для всех физических величин при лабораторном моделировании является реально неосуществимым. При моделировании ликвидационного тампонажа будем учитывать только основные характеристики и параметры, оказывающие преобладающее влияние на иссле дуемый процесс. При этом для различных процессов составим отдельные функции и воспользуемся П -теоремой. На основании критериев подобия выберем геометрические размеры модели и зададимся кинематическими и динамическими параметрами моделируемого процесса.
Для проверки теоретических результатов [1-4] было проведено лабораторное моделирование формирования закладочного массива в подземных пустотах путем нагнетания гидросмеси, которое позволяет: получить истинную физическую картину процесса; проверить аналитические результаты; установить дополнительные связи параметров процесса; по-
лучить данные, необходимые для проектирования.
Будем считать основными параметрами процесса нагнетания гидросмеси в выработанное пространство следующие:
• плотность гидросмеси р ;
• высота выработки И;
• радиус закладочного массива Н;
• расход гидросмеси Q;
• давление нагнетания гидросмеси Р;
• время нагнетания гидросмеси t. Тогда основная функция моделирования процесса имеет вид:
Ф- (р, И, Н, Q, Р, ^ = 0 (1)
или Р = {(р, И, НА t) (2)
В функцию (2) входят шесть переменных, из которых три независимые. Поэтому возможно получение трех критериев подобия. Для этого составим безразмерные комплексы:
п1 =р х1ИуЧг1Н-1 Ъ У ^ 1
П1=р 1 - И 1 ^ 1 - Н-1
П2 =рХ2 - ИУ2 - ^2 ■Q-1
п3 =рХ3 - ИУ3 - - Р-1. Или в размерностях:
мХ1 ьу1Тг1 ь- = м0 ь0т0 м_ ^Х2 Ьу Т 2 = м0 ьт0
= м0 ьт0.
м | !узТг3
,ь3 J ь Т ьлт -
Составляя систему уравнений из показателей, находим значения хг, уг, гг. В результате этого получим безразмерные комплексы:
И
П1 = К И3
По =
2 tQ И2
П 3 = —2- .
3 12Р
Из полученных критериев подобия могут быть найдены основные зависимости между технологическими параметрами. Из первого критерия следует геометрическое подобие:
И.. Я..
с 1 = И
Я
где индекс м, н — означает модель, натура.
Объединив второй и третий критерии, получаем функцию моделирования в виде:
Р =
pQ =рО_
к1 Ы к1п1 Я
где кг, п1 — постоянные коэффициенты.
Лля удобства проведения лабораторных исследований и исходя из реальных размеров горных выработок, выбран коэффициент геометрического подобия 10, коэффициент реологического подобия 10, т.е. 10рм = р .
Рис. 1. Фрагмент стенда для экспериментальных исследований
Тогда из критериев подобия следует, что для сохранения кинематического подобия необходимо расход жидкости уменьшить в 10 раз, а время нагнетания уменьшить в 100 раз. Соответственно из третьего критерия подобия следует, что давление нагнетания жидкости необходимо уменьшить в 100 раз.
Для проведения лабораторных исследований был собран экспериментальный стенд. Исследования выполняли между двумя прозрачными пластинами, расположенными на расстоянии 20 см. Стенд предварительно заполняется водой и в него через скважину нагнетали мелкозернистый песок. Фрагмент экспериментальных исследований показан на рис. 1.
Экспериментально были подтверждены стадии формирования закладочного массива: I — формирование в безнапорном режиме конуса; II — формирование в напорном режиме усеченного конуса. Наличие глинистых и песчаных частиц в гидросмеси привело к тому, что песок оседает ранее, глинистые частицы выносятся потоком и оседают за конусом. Поэтому в верхней части конуса наклон образующий больший, чем в нижней. По мере нарастания радиуса конуса канал течения уменьшался и со временем движение гидросмеси прекра-
Таблица 1
Результаты исследований процесса заполнения пустот
№ Время, мин. Напор, м Объем смеси, м3 Расход смеси, м3/ч Радиус течения, см Раскрытие подкровельной шели, мм Примечание
1 60 0,5 0,23 0,15 10 6 сформ.
2 67 0,5 0,25 0,135 20 5 щель
3 75 0,5 0,266 0,12 30 4
4 80 0,5 0,275 0,11 40 3,5
5 87 0,5 0,280 0,09 50 3
6 95 0,5 0,290 0,065 60 3
7 102 0,5 0,295 0,05 70 2,5
8 108 0,5 0,30 0,04 80 1,5
9 114 0,5 0,305 0,02 90 1 движ.
10 125 0,5 0,31 0 100 0,5 остановл.
Рис. 2. Процесс заполнения горных выработок: 1—9 — последовательное положение поверхности песка
щалось. Значительное увеличение давления приводило в вымыванию воронки возле скважины и размывания канала фильтрации. Это означало, что процесс выходил из стационарного режима. Однако, при этом возможно достижение большого радиуса. Экспериментально установлено, что начальное раскрытие канала составляло 5-6 мм, а прекращение движения раствора происходило при раскрытии канала фильтрации менее 0,5 мм на расстоянии 1-1,2 м от скважины. Результаты исследований процесса заполнения подземных пустот на модели приведены в табл. 1.
Поскольку радиус распространения песчаных гидросмесей в полостях, которые не ограничены в плане,
не зависит от размеров и формы последних, а определяется лишь свойствами твердой фазы и напора, под который смесь инъектирует скважины. Отсюда следует вывод, что в затопленном пространстве можно осуществить закладку сложных по форме выработок или карстовых пустот путем закачки низкоконцентрированных гидросмесей через скважины с поверхности.
Для подтверждения этого проведено исследование механизма закладки на прозрачной модели, которая имитировала камерную систему разработки полезного ископаемого. Была смоделирована система камер, соединенных сверху и внизу горизонтальными выработками (рис. 2).
Вода
Гидросмесь
Вода
Рис. 3. Формирование осадка в двухповерхностной модели: 1—6 — последовательные положения поверхности осадка
Как и следовало, на модели наблюдали последовательное заполнение камер.
Первоначально происходило закупоривание нижних выработок, после чего осадок наращивался вверх до тех пор, пока не заполнялась первая камера. Далее гидросмесь проходила верхнею выработкою в следующую камеру, и процесс повторялся. Когда все камеры были заполнены, движение гидросмеси осуществлялось только вдоль верхних выработок в виде ручейка, в котором скорость движения соответствовала критическому значению.
Проведенные исследования открывают перспективу закладки выработанного пространства калийных шахт твердым материалом после затопления горных выработок рассолом. Однако в калийной шахте выработки расположены в четырех горизонтах, между которыми имеется связь в виде скважин. Два нижних горизонта практически не отработаны и их закладка не нужна. Необходимо было исследовать: возможна ли, закладка только верхних горизонтов при существовании между ними связи.
Чтобы выяснить эти вопросы, прозрачную модель разделили перегородкой на два этажа, соединенных между собой отверстием, соосным с тем, в который подавали гидросмесь (рис. 3). Вначале часть песка проваливалась через отверстие в перегородке и это продолжалось до тех пор, пока под отверстием не образовался конус. Когда вершина конуса достигла перегородки, движение песка через отверстие приостановилось, и процесс пошел так, как и в одноэтажной модели. Следовательно, происходит самоизоляция верхнего горизонта от нижнего.
В результате проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
• формирование закладочного массива из дилатантной гидросмеси происходит за счет перепада давления в скважине с переменным во времени расходом;
• раскрытие подкровельной щели линейно уменьшается во времени;
• расход гидросмеси при постоянном напоре в скважине линейно уменьшается во времени до нуля;
• максимальный радиус конического закладочного массива зависит только от давления, концентрации и гранулометрического состава гидросмеси;
• скорость течения гидросмеси в подкровельной щели зависит пря-
1. Должиков П.Н., Страданченко С.Г., Шубин A.A. Исследование реологических свойств закладочных гидросмесей. Известия ТулГУ. Серия Геомеханика. Механика подземных сооружений. Вып. 2.-Тула: Изд-во ТулГУ, 2004. — С. 251-256.
2. Шубин A.A. К вопросу о закладке крупных подземных пустот. Горный инф. аналит. бюлл. — МГГУ — 2005. — № 8. — С. 145-148.
3. Должиков П.Н., Шубин A.A. Ликвидация водопритоков в условиях развития карста. Научно-технические проблемы разработки угольных месторождений, шахтного
мопропорционально от радиуса течения;
• процесс течения гидросмесей позволяет выполнить закладку пустот после камерной системы разработки.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
и подземного строительства: Сб. на-уч.тр./Шахтинский ин-т ЮРГТУ (НПИ). — Новочеркасск: УПЦ «Набла» ЮРГТУ (НПИ), 2005. — С. 180-185.
4. Ткачев B.A., Шубин A.A. Критерии течения дилатантных гидросмесей и вязко-пластичных растворов. Разработка научных основ и способов ресурсосберегающей и экологически чистой технологии добычи полезных ископаемых: Материалы 53 науч. техн. конф. Южно-Российского гос. техн. ун-та / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ).-Новочеркасск: УПЦ «Набла» ЮРГТУ(НПИ), 2004. — С. 214—217. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -
Шубин Андрей Анатольевич — кандидат технических наук, доцент, Шахтинский институт ЮжноРоссийского государственного технического университета, е-шаП: - [email protected].
А
АРГО И ЖАРГОН
ПРИСУХА — прослойки угля разной толщины, обынно не более 0,5 м, крепко соединенные с кровлей.
ПУТЕВОЙ — рабочий РВУ (ремонтно-восстановительного участка). ПУФИКИ — крепь в поддерживаемой выработке. ПЧЁЛКА — пневмосверло. ПЫЛЯКА — инертная пыиь
ПЯТНАДЦАТКА — элемент цепи скребкового конвейера из 15-ти звеньев.
РАЗЛУКА — крепежный станок (Солигорск).
РАЗНИЦА — куски цепи скребкового конвейера по 3, 5, 7 звеньев. РАСПИЛ — деревянная затяжка.
РАССТРЕЛ — стяжной элемент крепи. Вообще что-нибудь для распорки. Расстрелять — распереть что-то, закрепить распором. РЕМБОЛТ — болт с кольцом, используется для подъема каких-либо грузов; место для крепления такелажа (канат, трос, цепь) на редукторах, комбайнах и т. п. для их монтажа, перемещения. Происхождение жаргонизма — от технического термина рым-болт, имеющего голландское происхождение и означающее «кольцо». Искажение технического термина вызвано желанием сделать его более понятным (ремболт — ремонтный болт) и добиться удобства в произношении.
